半導(dǎo)體納米器件的噪聲模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、無論是研究電噪聲現(xiàn)象,還是研究電噪聲的應(yīng)用,噪聲機(jī)制的確定和模型的建立都是必不可少的。與常規(guī)器件相比,半導(dǎo)體納米器件中的噪聲既有相同點(diǎn),又有新特點(diǎn)。半導(dǎo)體納米器件中熱噪聲和低頻噪聲的基本機(jī)制和基本模型,與微米器件中是一致的。熱噪聲來源于載流子的熱運(yùn)動,低頻噪聲可以由相關(guān)粒子或結(jié)構(gòu)的慢過程產(chǎn)生。半導(dǎo)體納米器件中的散粒噪聲,來源于載流子的粒子性與運(yùn)動的隨機(jī)性,受到載流子輸運(yùn)過程中相互作用的影響。與微米器件相比,納米器件中的散粒噪聲現(xiàn)象更復(fù)雜

2、,也更有用。為了探索納米器件中的散粒噪聲現(xiàn)象,本文用Monte Carlo方法研究了散粒噪聲的產(chǎn)生機(jī)制。
　　 本文針對半導(dǎo)體納米器件的具體研究目的,直接使用或改進(jìn)已有噪聲模型。在這些模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行了噪聲特性分析或基于噪聲的器件特性表征。結(jié)合課題組的科研項(xiàng)目,利用器件物理和介觀物理等理論,分別針對量子點(diǎn)接觸(QPC)、自旋晶體管、高k柵棧MOSFETs這三種納米器件進(jìn)行了噪聲模型研究及其應(yīng)用研究。這些結(jié)果會對相關(guān)半導(dǎo)體納米器件

3、的設(shè)計(jì)提供依據(jù),并對其它半導(dǎo)體納米器件噪聲建模與應(yīng)用具有啟發(fā)意義。
　　 對QPC進(jìn)行分析時,常采用簡單的Büttiker透射系數(shù)表達(dá)式來計(jì)算零溫輸運(yùn)特性。本文將溫度的影響引入Büttiker表達(dá)式,再結(jié)合蘭道爾圖像的電流模型和噪聲模型,可以計(jì)算溫度對電導(dǎo)和噪聲的影響。提出了QPC本征靈敏度的表達(dá)式,本征靈敏度與QPC本身的噪聲平方根,及其與所檢測環(huán)境的耦合電容成正比,與微分跨導(dǎo)成反比。結(jié)合QPC結(jié)構(gòu)的電容范圍,估算了本征靈敏度

4、,發(fā)現(xiàn)目前報(bào)道的QPC電荷傳感器還有可改進(jìn)的空間。使用非平衡格林函數(shù)方法(NEGF)能夠數(shù)值計(jì)算透射系數(shù),與基于透射系數(shù)的Büttiker表達(dá)式相比,該方法能更為準(zhǔn)確地模擬偏置的影響。
　　 當(dāng)自旋向上和自旋向下的電流彼此獨(dú)立時,可以用自旋極化率描述自旋極化狀態(tài),自旋晶體管是以Rashba自旋軌道耦合為基本原理的,自旋進(jìn)動或者瞬時的自旋翻轉(zhuǎn)使兩種自旋取向的電流不再獨(dú)立,自旋極化率需要重新推導(dǎo)。在散射理論的框架下,利用自旋密度矩陣

5、推導(dǎo)出沿自旋量子化坐標(biāo)的自旋極化率表達(dá)式,并推導(dǎo)了自旋分辨電流和自旋分辨散粒噪聲的表達(dá)式。進(jìn)行了單通道的解析推導(dǎo)和基于NEGF的多通道模擬計(jì)算。在改變偏壓、中心導(dǎo)體長度以及Rashba自旋軌道耦合系數(shù)三種條件下,完成了多通道的模擬以研究自旋極化率與Fano因子隨偏壓等參數(shù)的變化規(guī)律,希望為自旋極化的全電學(xué)檢測提供依據(jù)。
　　 高k柵棧MOSFETs多層統(tǒng)一噪聲(MSUN)模型是目前比較主流的解析噪聲模型。但是,高k柵棧中的缺陷分

6、布常常很復(fù)雜,并不是MSUN模型認(rèn)為的在空間上呈指數(shù)分布。將MSUN模型中對兩層?xùn)沤橘|(zhì)分別計(jì)算噪聲分量的思想,推廣到按照陷阱分布進(jìn)行分層。當(dāng)層數(shù)較多時,針對所考察的頻率范圍引入一種有效的化簡方法。這種改進(jìn)的低頻噪聲模型既能得到重要的定性結(jié)論用以指導(dǎo)高k柵棧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),又能用于噪聲仿真和基于噪聲擬合的缺陷分布表征。
　　 最后,使用全計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)(FCS)理論對逆問題進(jìn)行了探索,這一點(diǎn)與基于FCS理論高階累積量計(jì)算的通常作法不同。FC